استارتاپ فنلاندی Donut Lab، که پیشتر اعلام کرده بود به موفقیت بزرگی در توسعه باتریهای حالت جامد دست یافته است، با انتشار نتایج اولیه تستهای مستقل، تلاش دارد تا ابهامات پیرامون این فناوری جدید را برطرف کند. این باتری که وعده شارژ سریع و ایمنی بالا را میدهد، مورد ارزیابی مرکز تحقیقات فنی دولتی فنلاند (VTT) قرار گرفته است. نتایج این تستها، بهویژه در زمینه سرعت شارژ و پایداری حرارتی، میتواند نقطه عطفی در صنعت باتریهای خودروهای الکتریکی باشد.
تستهای مستقل انجام شده توسط VTT نشان میدهند که باتری حالت جامد Donut Lab قادر است تا 80 درصد ظرفیت خود را در کمتر از 5 دقیقه شارژ کند، بدون اینکه افت قابل توجهی در ظرفیت کلی باتری رخ دهد. این عملکرد، جهشی قابل توجه نسبت به باتریهای لیتیوم-یون فعلی محسوب میشود که فرآیند شارژ آنها معمولاً دهها دقیقه به طول میانجامد. تمرکز این تستها بر سرعت شارژ و رفتار حرارتی باتری بوده است تا به ابهامات موجود در مورد قابلیت تولید انبوه و کارایی این فناوری پاسخ داده شود.
باتری حالت جامد Donut Lab: نوآوری در سرعت و ایمنی
باتریهای حالت جامد، که اغلب به عنوان «جام مقدس» در صنعت باتری شناخته میشوند، دهههاست که مورد توجه پژوهشگران بودهاند. برخلاف باتریهای لیتیوم-یون متداول که از الکترولیت مایع استفاده میکنند و مستعد گرم شدن بیش از حد، کاهش کارایی در دمای پایین و خطر اشتعال هستند، باتریهای حالت جامد از مواد جامد رسانا بهره میبرند. این ساختار نه تنها امکان ذخیرهسازی انرژی بیشتر را فراهم میآورد، بلکه مشکلات مربوط به فرار حرارتی (thermal runaway) را نیز برطرف میکند. Donut Lab ادعا میکند که باتری آن قادر است این مزایا را در مقیاس صنعتی و با هزینهای مقرونبهصرفه ارائه دهد.
یکی از چالشهای کلیدی در توسعه باتریهای حالت جامد، حفظ یکپارچگی شیمیایی باتری هنگام شارژ سریع بوده است. معمولاً اعمال جریان بالا به باتری باعث تخریب سریع شیمی داخلی و کاهش ظرفیت آن میشود. اما نتایج VTT نشان میدهد که باتری Donut Lab توانسته است حتی پس از دریافت انرژی بالا، حدود 100 درصد از پتانسیل انرژی خود را حفظ کند. این ویژگی میتواند تجربه شارژ خودروهای الکتریکی را از یک فرآیند 30 تا 40 دقیقهای به یک توقف 5 دقیقهای، مشابه سوختگیری بنزینی، تبدیل کند.
جزئیات فنی و نتایج آزمایش VTT
مرکز تحقیقات فنی VTT فنلاند، در ارزیابی خود، سیستم خنککننده فعال که معمولاً در باتریهای خودروهای الکتریکی امروزی (مانند تسلا یا هیوندای) برای مدیریت حرارت در حین شارژ استفاده میشود را حذف کرد. هدف از این کار، اثبات این نکته بود که باتری Donut Lab برای شارژ ایمن، نیازی به سیستمهای خنککننده مایع سنگین و پرهزینه ندارد. محققان دو روش خنککننده غیرفعال را آزمایش کردند: اول، قرار دادن باتری بین دو صفحه آلومینیومی و دوم، قرار دادن آن روی یک صفحه فلزی واحد، ضمن پایش مستمر دما.
برای سنجش سرعت شارژ، از مقیاس «نرخ C» (C-rate) استفاده شد که نشاندهنده سرعت شارژ باتری نسبت به ظرفیت آن است (1C یعنی شارژ کامل در یک ساعت). در حالی که باتریهای لیتیوم-یون معمولاً با نرخ 1C تا 3C و با خنککننده فعال شارژ میشوند، باتری Donut Lab حتی بدون خنککننده فعال، قادر به پذیرش توان شارژ بسیار بالاتری بود. VTT پس از یک تست تخلیه استاندارد 1C، آزمایشهای شارژ سریع در نرخهای 5C و 11C را با هر دو پیکربندی خنککننده انجام داد. در این شرایط، باتری Donut Lab توانست با نرخ 5C در حدود 9.5 دقیقه به 80 درصد ظرفیت شارژ شده و در کمتر از 12 دقیقه به شارژ کامل برسد، ضمن اینکه 100 درصد ظرفیت شارژ شده پس از تخلیه قابل دسترس بود.
با این حال، در یکی از تستها که باتری تنها روی یک صفحه خنککننده قرار داشت، دما به 90 درجه سانتیگراد رسید که حد ایمنی است و دستگاه به طور خودکار خاموش شد. مشخص شد که تماس باتری با صفحه خنککننده به اندازه کافی محکم نبوده است. پس از اصلاح تماس حرارتی، حرارت به طور مؤثرتری به فلز منتقل شد.
مزایای رقابتی و ابهامات باقیمانده
Ville Piippo، مدیر ارشد فناوری Donut Lab، در بیانیهای اعلام کرد: «برخلاف سایر باتریهای حالت جامد که به فشارهای بالا و تغییرات حجمی تا 15-20 درصد در طول چرخههای شارژ مجدد نیاز دارند، باتری Donut نیازی به فشردهسازی خاص یا خنککننده اضافی ندارد. این امر ساختار بستههای باتری را به شدت ساده میکند و راهحلهایی مقرونبهصرفه، قدرتمند و از نظر چگالی انرژی و توان، بهتر از باتریهای لیتیوم-یون سنتی ارائه میدهد.»
Donut Lab ادعا میکند که باتری این شرکت به چگالی انرژی 400 وات-ساعت بر کیلوگرم دست یافته است، در حالی که باتریهای لیتیوم-یون امروزی بین 200 تا 300 وات-ساعت بر کیلوگرم هستند. این شرکت همچنین طول عمر باتری را 100,000 سیکل شارژ و دشارژ و زمان شارژ را کمتر از 10 دقیقه اعلام کرده است؛ در مقایسه، باتریهای لیتیوم-یون معمولاً بین 1,500 تا 3,000 سیکل عمر میکنند. طبق گزارش VTT، نسخه مورد آزمایش (Solid State Battery V1) دارای ظرفیت 26 آمپر-ساعت و انرژی نامی 94 وات-ساعت بوده است.
با وجود این نتایج امیدوارکننده، گزارش VTT برخی نکات کلیدی را مورد بررسی قرار نداده است. اول اینکه، VTT شیمی دقیق باتری را تأیید نکرده و صرفاً بر اساس ادعای Donut Lab عمل کرده است. دوم، تستها به موضوع «دندریت» (dendrite) نپرداختهاند؛ پدیدهای که در آن رشد ساختارهای میلهای از آند به سمت کاتد در الکترولیت جامد میتواند باعث اتصال کوتاه شود. انتظار میرود Donut Lab در تستهای آتی که بخشی از سری "I Donut Believe" این شرکت است، به این موارد نیز بپردازد.
تحلیل تاثیر
نتایج اولیه تست باتری حالت جامد Donut Lab، گامی مهم در جهت تحقق وعدههای این فناوری محسوب میشود. سرعت شارژ فوقالعاده سریع (80 درصد در زیر 5 دقیقه) و حفظ 100 درصد ظرفیت، در صورت اثبات در مقیاس صنعتی و رفع ابهامات باقیمانده مانند مسئله دندریت، میتواند انقلابی در صنعت خودروهای الکتریکی ایجاد کند. کاهش زمان شارژ به سطحی مشابه سوختگیری بنزینی، نگرانی اصلی بسیاری از مصرفکنندگان در مورد خودروهای برقی را برطرف خواهد کرد. علاوه بر این، پتانسیل چگالی انرژی بالاتر و طول عمر بیشتر، همراه با سادگی سیستم خنککننده، میتواند هزینههای تولید و نگهداری خودروهای الکتریکی را کاهش دهد و پذیرش گستردهتر آنها را تسریع بخشد. اگر Donut Lab بتواند چالشهای تولید انبوه و پایداری بلندمدت را با موفقیت پشت سر بگذارد، ممکن است شاهد تغییر پارادایم در حوزه حملونقل پاک باشیم.
